近日，国内高校又发表多篇顶尖期刊论文，包括清华大学 、深圳大学、复旦大学等研究团队，研究领域涵盖了物质科学、生命科学等。

清华大学类脑计算中心施路平教授团队在《自然》发表封面文章

近日，清华大学依托精密仪器系的类脑计算研究中心施路平教授团队发布了一项最新研究成果——类脑计算芯片“天机芯”。该芯片是面向人工通用智能的世界首款异构融合类脑计算芯片。基于此研究成果的论文“面向人工通用智能的异构天机芯片架构”（Towards artificial general intelligence with hybrid Tianjic chip architecture）作为封面文章登上了8月1日《自然》（Nature）。

本期《自然》封面图

天机异构融合类脑计算架构

人工智能技术的迅猛发展使人们在多个领域实现了前所未有的突破。但目前占主流的专有人工智能有很大局限性，可以赋能各行各业的人工通用智能是未来的发展方向，但至今尚无有效解决方案。发展人工通用智能主要有基于计算机和基于神经科学两个主要方向，二者各有优缺点，目前将两者融合被公认为是最佳解决方案之一， 而其基础则为支持融合计算的平台硬件。

天机芯片单片（左）和5x5阵列扩展板（右）

清华大学类脑计算研究中心借鉴脑科学的基本原理，提出了符合脑科学基本规律的新型类脑计算架构——异构融合的天机类脑计算芯片架构，可同时支持计算机科学和神经科学的神经网络模型，例如人工神经网络和脉冲神经网络，发挥它们各自的优势。在2015年发展的第一代“天机芯”基础上，2017年第二代“天机芯”问世，经过不断改进设计，具有高速度、高性能、低功耗的特点。相比于当前世界先进的IBM的TrueNorth 芯片，第二代“天机芯”功能更全、灵活性和扩展性更好，密度提升20%，速度提高至少10倍，带宽提高至少100倍。基于天机芯片，类脑计算中心还自主研发出第一代类脑计算软件工具链，可支持从深度学习框架到“天机芯”的自动映射和编译，并利用类脑自动行驶自行车建立一个异构可扩展人工通用智能开发演示平台，利用一块天机芯片展示了自行车的自平衡、目标探测跟踪、自动避障、语音理解控制、自主决策等功能。上述研究成果为学界提供了一个发展人工通用智能的平台和思路，将能促进人工通用智能研究，从而赋能各行各业。

自动行驶自行车演示平台

论文共同第一作者为清华大学精密仪器系副研究员裴京、精密仪器系博士生邓磊（现为美国加州大学圣芭芭拉分校博士后）、清华大学医学院宋森副教授、清华大学自动化系副研究员赵明国、清华大学计算机系张悠慧教授、清华大学精密仪器系博士生吴双、王冠睿。清华大学为论文第一单位。论文通讯作者为清华大学精密仪器系施路平教授。合作单位包括北京灵汐科技有限公司、北京师范大学、新加坡科技与设计大学和美国加州大学圣芭芭拉分校。

这项研究得到了清华大学、精仪系、计算机系、自动化系、微电子系、电子系、材料系、医学院以及北京市芯片未来高精尖研究中心的支持，也得到科技部、自然基金委和北京市的资助。

论文链接：https://nature.com/articles/s41586-019-1424-8

清华大学生命学院隋森芳，中国科学院植物所匡廷云及沈建仁共同通讯在Science

硅藻是海洋主要的浮游生物之一，贡献了地球上每年原初生产力的20%左右，且在生物地球化学循环中起着重要作用，这都与其光系统II（PhotosystemII，PSII）以及外周捕光天线的功能密切相关。不同于绿藻和高等植物，硅藻PSII的外周捕光天线是结合了岩藻黄素和叶绿素a/c的蛋白（FucoxanthinChl a/c binding proteins，FCPs），具有强大的蓝绿光捕获能力和快速光适应能力。然而硅藻FCPII天线蛋白与PSII核心复合体的结合方式，以及它们之间的相互作用机制并不清楚，因此硅藻PSII-FCPII超级复合体的能量传递、转换和光保护机制也未得到阐明。

2019年8月2日，清华大学清华大学生命学院隋森芳，中国科学院植物所匡廷云及沈建仁共同通讯在Science 发表题为“The pigment-protein network of a diatom photosystem II–lightharvesting antenna supercomplex”的研究论文，该研究报道了来自中心硅藻-角毛藻（Chaetoceros gracilis）的光系统II（PSII） - 岩藻黄素（Fx）叶绿素（Chl）a / c结合蛋白（FCPII）超复合物的冷冻电子显微镜结构。 超复合物包含两个原体，每个原体在PSII核心周围具有四个四聚体和六个单体FCPII，其在腔表面含有五种外源氧进化蛋白。该结构揭示了巨大的色素网络的排列，有助于硅藻中有效的光能收集，转移和消散过程。该成果是该合作团队在前期红藻、绿藻的光合膜蛋白结构与功能研究工作的拓展，为阐明硅藻PSII-FCPII超级复合体中独特的光能捕获、传递和转化以及高效的光保护机制提供了重要基础，为揭示PSII复合体的进化演变提供了重要线索。该成果也为PSII的超快动力学、理论计算和人工模拟光合作用研究提供了新理论依据，同时为后续指导设计新型作物、提高作物的捕光和光保护效率提供了新思路。

另外，2019年2月8号，中国科学院植物所匡廷云及沈建仁共同通讯在Science 发表题为“Structural basis for blue-green light harvesting and energy dissipation in diatoms”的研究论文，该研究解析了三角褐指藻（Phaeodactylum tricornutum）二聚体FCP的x射线晶体结构，分辨率为1.8Å，揭示了的每一种色素的配体结构和结合环境，为研究光捕获系统中单个色素的吸收特性、能量转移途径和动力学以及过剩能量耗散机制提供了基础；

最后，德国光合作用研究专家Claudia Büchel在Science发表题为“Howdiatoms harvest light”的点评文章，称赞硅藻的两个研究成果是该领域Highlight的研究工作；这两项工作揭示了硅藻FCP捕光天线复合体的多样性和柔性，对于研究LHC超级家族成员在不同光环境下实现多样的光能捕获功能具有重大意义。

硅藻是海洋主要的浮游生物之一，贡献了地球上每年原初生产力的20%左右，且在生物地球化学循环中起着重要作用，这都与其光系统II（PhotosystemII，PSII）以及外周捕光天线的功能密切相关。不同于绿藻和高等植物，硅藻PSII的外周捕光天线是结合了岩藻黄素和叶绿素a/c的蛋白（FucoxanthinChl a/c binding proteins，FCPs），具有强大的蓝绿光捕获能力和快速光适应能力。然而硅藻FCPII天线蛋白与PSII核心复合体的结合方式，以及它们之间的相互作用机制并不清楚，因此硅藻PSII-FCPII超级复合体的能量传递、转换和光保护机制研究也未得到阐明。

中国科学院植物研究所沈建仁和匡廷云团队一直致力于高等植物和藻类捕光天线蛋白的研究工作。2019年初，该团队首次报道了羽纹纲硅藻——三角褐指藻FCP二聚体的1.8埃分辨率的晶体结构，描绘了叶绿素c和岩藻黄素在硅藻光合膜蛋白中的结合细节。近日，该团队与清华大学隋森芳团队合作，利用单颗粒冷冻电镜技术解析了一种中心纲硅藻——Chaetoceros gracilis的PSII-FCPII超级复合体的3.0 Å分辨率的三维结构，这也是国际上首次报道硅藻光系统-捕光天线超级复合体的结构（图1）。

图1：硅藻PSII-FCPII超级复合体在类囊体膜上的示意图

研究人员发现，硅藻的PSII-FCPII超级色素蛋白复合体由两个PSII-FCPII单体组成，每个单体有24个核心亚基和11个外围的FCP天线亚基；二聚体的总体分子量超过1.4 MDa，包含288个叶绿素分子、146个类胡萝卜素分子，以及锰簇复合物、电子传递体和大量的脂分子等；硅藻PSII-FCPII的反应中心与蓝藻和红藻相似，但是具有额外的两个核心亚基和一个特有的外周放氧亚基Psb31，且各外周FCP天线亚基排列方式与已知的绿藻和高等植物PSII-LHCII复合体明显不同（图2）。

图2：中心纲硅藻PSII-FCPII超级复合物结构。(A)PSII-FCPII二聚体基质侧视图， (B) PSII-FCPII单体各亚基简图，(C)和(D) 外周5个放氧蛋白亚基的侧视图和囊腔侧俯视图。

研究人员在硅藻PSII-FCPII复合体中发现了多条捕光天线向反应中心的能量传递途径，其中包括了红移叶绿素对向核心的能量传递途经，以及通过PsbG/W/Z亚基的传能途径；研究人员还发现结合在FCP-D亚基中硅甲藻黄素分子可能是重要非光化学淬灭位点；也发现硅藻特有Psb31亚基的功能可能是保护放氧反应中心，并促进水裂解后产生的质子排出到囊腔。

该成果是该合作团队在前期红藻、绿藻的光合膜蛋白结构与功能研究工作的拓展，为阐明硅藻PSII-FCPII超级复合体中独特的光能捕获、传递和转化以及高效的光保护机制提供了重要基础，为揭示PSII复合体的进化演变提供了重要线索。该成果也为PSII的超快动力学、理论计算和人工模拟光合作用研究提供了新理论依据，同时为后续指导设计新型作物、提高作物的捕光和光保护效率提供了新思路。

清华大学生命学院博士研究生皮雄和植物所博士研究生赵松浩、王文达助理研究员为本文共同第一作者；植物所沈建仁研究员，清华大学生命学院隋森芳院士和植物所匡廷云院士为共同通讯作者。研究得到国家蛋白质科学研究（北京）设施清华基地冷冻电镜平台和计算平台的技术支持；得到了科技部国家蛋白质重点研发计划、国家自然科学基金委员会、中国科学院先导专项、膜生物学国家重点实验室、北京市结构生物学高精尖创新中心等的经费支持。

参考信息：

https://science.sciencemag.org/content/365/6452/eaax4406

https://science.sciencemag.org/content/365/6452/447

Nature：复旦大学吴施伟课题组二维磁性材料非线性光学研究取得重要进展

近年来，二维磁性材料在国际上成为备受关注的研究热点。它们能将自发磁化保持到单原胞层厚度，为人们理解和调控低维磁性提供了新的研究平台，也为二维磁性与自旋电子学器件的研发开辟了新的方向，在新型光电器件、自旋电子学器件等方面有着重要应用价值。

尽管二维磁性材料的铁磁性质已有研究，但反铁磁态由于不具有宏观磁化，材料体系整体对外不表现出磁性，加之样品既薄又小，其实验研究是领域内的一大难题。

针对这一问题，近日，复旦大学物理学系吴施伟课题组与华盛顿大学许晓栋课题组合作，在二维磁性材料双层三碘化铬中观测到源于层间反铁磁结构的非互易二次谐波非线性光学响应，并揭示了三碘化铬中层间反铁磁耦合与范德瓦尔斯堆叠结构的关联。北京时间8月1日凌晨，相关研究成果以《反铁磁双层三碘化铬中巨大的非互易二次谐波产生》（“Giant nonreciprocal second harmonic generation from antiferromagnetic bilayer CrI3”）为题发表于《自然》（Nature）杂志。

将经典方法引入新领域 开辟广阔研究空间

研究工作中观测到的由层间反铁磁诱导的二次谐波响应让团队成员们非常兴奋，因为他们知道，这在二维材料的研究和非线性光学领域都具有重要的意义。

“意义首先在于其独特性。”吴施伟介绍，迄今为止二维材料领域所研究的二次谐波大多由晶格结构的对称破缺引起。“对称破缺也就是破坏对称性，例如人的左右手原本是镜面对称的，如果一只手指受伤，那么镜面对称就破缺了。”而这种由磁结构产生的非互易二次谐波和前者有本质区别，从原理上就十分新颖。

反铁磁材料由于没有宏观的磁矩，对外部的物理激励一般难以产生宏观的可测量的响应，对仅有几个原子层厚的二维反铁磁材料往往无能为力。“过去这个问题就像是灯光照不到的地方，一片黑暗无从下手。然而就是这样的一种‘暗’状态，现在能通过二次谐波的方式变‘亮’。这也是将一种经典的方法引入一个新领域的美妙所在。”吴施伟对此颇有感触。这种二次谐波过程对材料磁结构的对称性高度敏感，为二维磁性材料的研究开辟了广阔的研究空间。

研究团队同时发现，双层反铁磁三碘化铬的二次谐波信号相比于过去已知的磁致二次谐波信号（例如氧化铬Cr2O3），在响应系数上有三个以上数量级的提升，比常规铁磁界面产生的二次谐波更是高出十个数量级。利用这一强烈的二次谐波信号，团队得以揭示双层三碘化铬的原胞层堆叠结构的对称性。

吴施伟介绍，体材三碘化铬在高温下属于单斜（monoclinic）晶系，在低温下发生结构相变而变为菱形（rhombohedral）晶系，两者的差别在于范德瓦尔斯作用（一种原子或分子之间的相互作用力，相比于化学键的相互作用，范德瓦尔斯相互作用弱得多）的层间平移。但在寡层极限下，低温下的晶格堆叠结构还存在着争议。团队在实验中使用一束偏振光测量了材料在空间不同方向的极化，通过测量偏振极化的二次谐波信号，发现它与单斜晶格的堆叠结构都具备镜面对称性，这与国际上新近发表的理论计算结果一致，为研究二维材料层间堆叠结构与层间铁磁、反铁磁耦合的关联提供了新的实验证据和研究手段。

创新研发实验系统 实现基础研究突破

研究团队在实验中探测的反铁磁材料仅有两个原胞层厚度（厚度在2nm以下），而在此条件下，中子散射等测量手段很难奏效。针对这一问题，团队基于过去多年在二维材料非线性光学研究领域的积累，运用了光学二次谐波这一方法来探测二维磁性材料的磁结构与相关特性。

光学二次谐波过程对体系的对称性高度敏感，光学二次谐波的探测方法从体系的对称性入手，能够灵敏地探测体系的反铁磁性。与通常探测磁性的实验手段不同，它不依赖于材料的宏观磁性，而取决于微观磁结构造成的对称破缺。双层三碘化铬在反铁磁态下，其磁结构不但打破了时间反演对称性，也同时打破了空间反演对称性，由此产生强烈的非互易二次谐波响应。当体系升至转变温度以上、或施加面外磁场拉为铁磁态后，磁结构的对称性却发生了改变，这一二次谐波信号也随之消失。

自2017年至今，两年的协力共进浇灌出如今的成果。团队首先利用实验室已有的无液氦可变温显微光学扫描成像系统进行了初步测量，但由于该系统没有磁场，很多关键的实验测量受到了限制。为解决这一问题，课题组成员攻坚克难，利用一套无液氦室温孔超导磁体，自主研发搭建了一套无液氦可变温强磁场显微光学扫描成像系统，并借助新系统实现强磁场下的光学测量，完成了关键数据的探测。

据悉，该研究工作的合作团队还包括香港大学教授姚望、卡耐基梅隆大学教授肖笛、华盛顿大学教授曹霆、美国橡树岭国家实验室研究员Michael McGuire，以及复旦大学物理学系教授刘韡韬、陈张海、高春雷等。吴施伟和许晓栋为文章的通讯作者，复旦大学物理学系博士研究生孙泽元和易扬帆为共同第一作者。研究工作得到自然科学基金委、科技部重大研究计划和重点研发专项计划等项目经费的支持。

双层三碘化铬（CrI3）的二次谐波光学显微图

Nature：深圳大学胡章立等发现植物全新的盐感应机制

盐对全球植物生长，作物生产和粮食安全都是有害的。过量的盐引发细胞溶质Ca2 +浓度的增加，其激活Ca2 +结合蛋白并上调Na + / H +反向转运蛋白以除去Na +。人们一直认为盐诱导的Ca2 +增加与盐胁迫的检测有关，但传感机制的分子成分仍然未知。

深圳大学胡章立及杜克大学Pei Zhen-Ming共同通讯在Nature在线发表题为“Plant cell-surface GIPC sphingolipids sense salt to trigger Ca2+ influx”的研究论文，该研究使用基于Ca2 +成像的正向遗传筛选，分离了拟南芥突变体moca1，并且鉴定MOCA1作为质膜中的糖基肌醇磷酰神经酰胺（GIPC）鞘脂的葡糖醛酸基转移酶。MOCA1是盐诱导的细胞表面电位去极化，Ca2 + spikes，Na + / H +逆向转运激活和生长调节所必需的。Na +与GIPC结合以门控Ca2 +流入通道。这种盐感应机制可能意味着质膜脂质参与各种环境盐水平的适应，并可用于改善作物的抗盐性。

总之，研究结果揭示了植物中的盐感知，强调了GIPCs作为特定类鞘脂的重要性 - 用于调节质膜上的信号传导过程，并强调了各种脂质的功能多样性。 该研究结果还可以为工程抗盐作物提供潜在的分子遗传目标。

世界土地总面积的6％以上和约20％的灌溉土地（产生世界三分之一的粮食）越来越多地受到盐积累的影响。过量的盐对植物的生长和发育是有害的，并导致农业损失和植物生态系统的严重恶化。氯化钠是土壤中溶解性最强且最普遍的盐。钠不是植物中必需的营养元素，植物已经进化出减少细胞内钠积累的机制。在植物中，高盐引发早期反应，如用于感知和转导应激信号，以及随后对重塑转录网络以调节生长和发育的长期反应。虽然已经确定了早期信号通路中的几种分子成分，但植物盐传感器仍然未知。

分离moca1突变体

盐胁迫引发细胞内游离Ca2 +浓度增加（[Ca2 +] i），过量细胞内Na +的排出涉及Ca2 +相关的盐过度敏感（SOS）途径。SOS途径包括Ca2 +传感器SOS3（钙调神经磷酸酶B样蛋白（也称为CBL4）），蛋白激酶SOS2（也称为CIPK24）和Na + / H +反向转运蛋白SOS1。

moca1突变体在SOS途径中是缺陷的并且对盐胁迫过敏

虽然盐诱导的[Ca2 +] i增加被认为是一种检测机制，但这些增加所涉及的分子成分是未知的。在动物中，钠是必需的营养元素，并且已经发展出专门的机制以检测有吸引力的低盐和厌恶的高盐条件。值得注意的是，几个离子通道充当了盐敏感的感应受体。钠还会触发由这些盐感应通道介导的[Ca2 +] i 现象spikes。然而，在测序的植物基因组中不存在这些通道的同源物。

moca1突变体消除了由单价阳离子诱导的[Ca2 +] i尖峰和波

高盐度会增加渗透压和离子强度，因此盐可以发挥两种应激作用：渗透性和离子性。基于Ca2 +成像的正向遗传筛选先前已被用于分离特异性缺陷的拟南芥突变体，其特征在于渗透胁迫诱导的Ca2 +增加，导致osmosensing OSCA1 Ca2 +通道的克隆。

MOCA1编码葡糖醛酸基转移酶

在这里，研究人员优化了类似的基于Ca2 +成像的遗传筛选的实验条件，以区分离子效应和盐胁迫的渗透作用。通过这种方式，研究人员分离了特异性缺陷的拟南芥突变体，其特征在于离子应激诱导的[Ca2 +] i增加。通过这些筛选鉴定的突变体的分析揭示了植物特异性GIPC鞘脂参与检测质膜中与盐相关的离子应力。

Na +与GIPC结合并对Ca2 +流入通道进行门控

总之，研究结果揭示了植物中的盐感知，强调了GIPCs作为特定类鞘脂的重要性 - 用于调节质膜上的信号传导过程，并强调了各种脂质的功能多样性。该研究结果还可以为工程抗盐作物提供潜在的分子遗传目标。